Uso de Análise Exergética para Diagnóstico de Centrais Nucleares com Reatores PWR

165 Pages·2017·3.64 MB·English

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Uso de Análise Exergética para Diagnóstico de Centrais Nucleares
com Reatores PWR

Autor: Maicon Queiroz Hilário
Orientador: Prof. Dr. Rogério José da Silva

Itajubá, Fevereiro de 2017
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Maicon Queiroz Hilário

Uso de Análise Exergética para Diagnóstico de Centrais Nucleares
com Reatores PWR

Dissertação submetida ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Mecânica como parte
dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em
Ciências em Engenharia Mecânica.

Área de Concentração: Térmica, Fluidos e Máquinas de Fluxo
Orientador: Rogério José da Silva

Itajubá, Fevereiro de 2017
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Maicon Queiroz Hilário

Uso de Análise Exergética para Diagnóstico de Centrais Nucleares
com Reatores PWR

Dissertação aprovada por banca examinadora em 16
de fevereiro de 2017, conferindo ao autor o título de
Mestre em Ciências em Engenharia Mecânica.

Banca Examinadora:
Prof. Dr. Dagoberto Cássio da Silva – CEFET-MG
Prof. Dr. Genésio José Menon - UNIFEI
Prof. Dr. Rogério José da Silva - UNIFEI

Itajubá – MG
2017
DEDICATÓRIA
A Deus pelo dom da vida e por me capacitar a cada momento dessa caminhada,
permitindo que eu chegasse com êxito ao final dessa etapa. Sem Ele, eu nada poderia fazer.
A meus pais e irmãos por estarem sempre ao meu lado e acreditarem em mim. Essa
caminhada me fez estar ausente em muitos momentos, mas vocês estarão sempre presentes no
meu coração.
AGRADECIMENTOS
Ao Instituto de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Itajubá pelo curso de
Pós-Graduação e a CAPES/ELETRONUCLEAR pelo apoio financeiro.
Ao Prof. Dr. Rogério José da Silva pela orientação desta dissertação, o qual sempre se
mostrou paciente e acessível para o desenvolvimento do trabalho.
Aos meu pais, Nilson e Nádia, pela educação dada e por sempre primarem pelos meus
estudos.
Aos meus irmãos, Ronderson e Rárisson, por sempre estarem ao meu lado.
Aos amigos de pós-graduação por participarem de toda essa etapa, compartilhando
conhecimento e deixando os dias mais leves.
A todos que de alguma forma contribuíram para que esse projeto de pesquisa se
concretizasse. Muito obrigado!
RESUMO
HILÁRIO, Maicon Queiroz. Uso de Análise Exergética para Diagnóstico de Centrais
Nucleares com Reatores PWR. 2017. 164p. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de
Itajubá UNIFEI, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Itajubá.

O investimento em pesquisas no campo da energia nuclear revela que a mesma é uma fonte de
geração de energia em que está em constante desenvolvimento. A seu favor pesa o fato de
apresentar baixo nível de emissões de gases de efeito estufa, alta confiabilidade no
fornecimento de energia elétrica, menores áreas para instalação da usina e reservas de
combustível abundantes. Diante desse cenário, faz-se necessário conhecer melhor os processos
e as tecnologias que envolvem esse campo do conhecimento. Portanto, este trabalho apresenta
uma análise exergética de uma usina termonuclear com reator de água pressurizada (PWR) com
uma potência elétrica de 1.770 MW e potência térmica de 4.614 MW. As análises foram
realizadas para duas condições de operação: condição de projeto e válvulas completamente
abertas. Com a análise exergética foi possível determinar as eficiências exergéticas da usina e
de cada equipamento da usina de forma individual, sendo possível discriminar as porcentagens
de irreversibilidades e identificar e quantificar os locais de maiores destruições exergéticas. As
análises permitiram observar e avaliar o comportamento termodinâmico da usina nas duas
condições de operação, onde a operação com as válvulas completamente abertas apresentou
maiores irreversibilidades do que na condição de projeto, e por consequência, uma eficiência
exergética inferior. Em ambos os casos o reator foi o equipamento responsável pelas maiores
irreversibilidades do ciclo.

Palavras-Chave: Energia Nuclear, Análise Exergética, Usina Termonuclear PWR
ABSTRACT

HILÁRIO, Maicon Queiroz. Use of Exergetic Analysis for the Diagnosis of Nuclear Power
Plants with Reactors PWR. 2017. 164p. Dissertation (Master’s Degree) - Federal University of
Itajubá UNIFEI, Post-Graduation Program in Mechanical Engineering, Itajubá.

The investment related to research in the nuclear energy field reveals that it is a source of energy
generation that is in constant development. On its side there is the fact that it presents low level
of emissions of greenhouse gases, high reliability in the electric power supply, smaller areas for
installation of the plant and abundant fuel reserves. According to this scenario, it is necessary
to know the processes and the technologies that involve this field of knowledge in a better way.
Therefore, this work presents an exergetic analysis of a nuclear power plant with a pressurized
water reactor (PWR) with a electric power of 1,770 MW and thermal power of 4,614 MW. The
analyzes were performed on two operating conditions: design condition and valves wide open.
From the exergetic analysis was possible to determine the exergetic efficiencies of the power
plant and of each power plant’s equipment individually, and to discriminate the percentages of
irreversibilities and also identify and quantify the sites of greatest exergetic destruction. The
analyzes allowed to observe and evaluate the thermodynamic behavior of the plant for the two
operating conditions, where the operation with the valves wide open presented greater
irreversibilities than in the design condition, and consequently a lower exergetic efficiency. In
both cases the reactor was the equipment responsible for the major irreversibilities of the cycle.

Keywords: Nuclear Energy, Exergetic Analysis, PWR Nuclear Power Plant.
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Lista de Figuras

Figura 2.1 - Usina Termonuclear Angra 1 ................................................................................ 26
Figura 2.2 - Usina Termonuclear Angra 2 ................................................................................ 28
Figura 2.3 - Usina Termonuclear Angra 3 ................................................................................ 30
Figura 2.4 - Reatores em Operação por Idade .......................................................................... 38
Figura 2.5 - Emissões de GEE Durante o Ciclo de Vida de Diversas Fontes de Geração de
Energia ..................................................................................................................... 43
Figura 2.6 - Fator de capacidade dos países por fonte de energia (2008 a 2012) ..................... 44
Figura 3.1 - Evolução das Gerações dos Reatores Nucleares................................................... 49
Figura 3.2 - Usina Termonuclear PWR .................................................................................... 55
Figura 3.3 - Sistema de Refrigeração do Reator de 2-Loop da Westinghouse ......................... 57
Figura 3.4 - Sistema de Refrigeração do Reator de 3-Loop da Westinghouse ......................... 58
Figura 3.5 - Sistema de Refrigeração do Reator de 4-Loop da Westinghouse ......................... 58
Figura 3.6 - Vaso do Reator Nuclear ........................................................................................ 60
Figura 3.7 - Elemento Combustível .......................................................................................... 61
Figura 3.8 - Padrão de Carregamento de Combustível ............................................................. 62
Figura 3.9 - Edifício do Reator ................................................................................................. 63
Figura 3.10 - Gerador de Vapor................................................................................................ 64
Figura 3.11 - Bomba de Resfriamento do Reator ..................................................................... 67
Figura 3.12 - Pressurizador ....................................................................................................... 68
Figura 3.13 - Condições de Vapor de uma Usina Fóssil e uma Usina Termonuclear .............. 71
Figura 3.14 - Vazão de Vapor de uma Usina Fóssil e uma Usina Termonuclear .................... 72
Figura 3.15 - Turbina Nuclear da General Eletric .................................................................... 73
Figura 3.16 - Usina Termonuclear BWR.................................................................................. 74
Figura 3.17 - Reator BWR ........................................................................................................ 75
Figura 3.18 - Reator CANDU................................................................................................... 77
Figura 3.19 - Calandria de um reator CANDU ........................................................................ 78
Figura 4.1 - Representação dos Fluxos do Reator .................................................................... 85
Figura 4.2 - Representação dos Fluxos da Bomba ................................................................... 86
Figura 4.3 - Representação dos Fluxos da Turbina .................................................................. 87
Figura 4.4 - Representação dos Fluxos da Turbina com Extrações.......................................... 87
Figura 4.5 - Representação dos Fluxos de um Trocador de Calor ........................................... 88
Figura 5.1 - Layout da Usina EPR ............................................................................................ 99
Figura 5.2 - Diagrama Esquemático da Usina EPR ................................................................ 103
Figura 5.3 – Comparação das Irreversibilidades Geradas no Ciclo Primário e Secundário na
Condição de Projeto ............................................................................................... 120
Figura 5.4 – Comparação das Irreversibilidades Geradas no Ciclo Primário na Condição de
Projeto .................................................................................................................... 120
Figura 5.5 – Comparação das Irreversibilidades Geradas no Ciclo Secundário na Condição de
Projeto .................................................................................................................... 121
Figura 5.6 - Comparação das Irreversibilidades Geradas no Ciclo Primário e Secundário na
Condição das Válvulas Completamente Abertas ................................................... 124
Figura 5.7 - Comparação das Irreversibilidades Geradas no Ciclo Primário na Condição das
Válvulas Completamente Abertas ......................................................................... 124
Figura 5.8 - Comparação das Irreversibilidades Geradas no Ciclo Secundário na Condição das
Válvulas Completamente Abertas ......................................................................... 125
Figura 5.9 – Equipamentos com Maiores Contribuições de Irreversibilidades nos Dois Casos
Analisados .............................................................................................................. 125
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Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Descrição Geral da Escala Internacional de Eventos Radiológicos e Nucleares . 23
Tabela 2.2 – Indicadores de Desempenho Angra 1 .................................................................. 27
Tabela 2.3 – Indicadores de Desempenho Angra 2 .................................................................. 29
Tabela 2.4 - Eletricidade Gerada Através da Energia Nuclear de 1996 a 2015 ....................... 31
Tabela 2.5 - Reatores em Operacão .......................................................................................... 32
Tabela 2.6 - Reatores em Operação por Tipo ........................................................................... 33
Tabela 2.7 - Reatores em Operação por Região ....................................................................... 33
Tabela 2.8 - Participação da Energia Nuclear na Matriz Energética dos Países Ano 2015 ..... 34
Tabela 2.9 - Reatores em Construção ....................................................................................... 35
Tabela 2.10 - Reatores em Construção por Tipo ...................................................................... 36
Tabela 2.11 - Reatores em Construção por Região .................................................................. 36
Tabela 2.12 - Reatores Desligados Permanentemente por País................................................ 37
Tabela 2.13 - Reatores Desligados Permanentemente por Tipo ............................................... 37
Tabela 2.14 - Reatores Desligados Permanentemente por Região ........................................... 38
Tabela 2.15 - Reatores em Operação por Idade e Capacidade Elétrica (MW) ......................... 39
Tabela 2.16 - Reatores Nucleares no Mundo e Urânio Requerido ........................................... 40
Tabela 2.17 - Emissões de CO2 Evitadas com o Uso da Energia Nuclear ............................... 44
Tabela 2.18 - Fator de Capacidade de Diversas Fontes de Energia nos EUA de 2013 a 2016 45
Tabela 2.19 - Recursos de Urânio Disponíveis em 2015 ......................................................... 47
Tabela 3.1 - Parâmetros de Projeto de Reatores PWR da Westinghouse ................................. 59
Tabela 3.2 - Dados de Projeto de um Gerador de Vapor da Westinghouse ............................. 65
Tabela 3.3 - Dados de Projeto de uma Bomba de Resfriamento do Reator da Westinghouse . 67
Tabela 3.4 - Dados de Projeto de Pressurizadores da Westinghouse ....................................... 70
Tabela 3.5 – Dados Técnicos de Moedelos de Turbinas Nucleares da General Eletric ........... 72
Tabela 3.6 – Características dos Reatores da Geração IV ........................................................ 80
Tabela 5.1 - Dados Técnicos de Projeto da Usina EPR.......................................................... 101
Tabela 5.2 – Descrição dos Fluxos Associados à Usina EPR ................................................ 104
Tabela 5.3 - Dados Termodinâmicos da Usina EPR em sua Operação de Projeto ................ 107
Tabela 5.4 - Dados Termodinâmicos da Usina EPR com Válvulas Completamente Abertas 110
Tabela 5.5 - Fluxos Energéticos e Exergéticos da Usina EPR em Operação de Projeto ........ 112
Tabela 5.6 - Fluxos Energéticos e Exergéticos da Usina EPR com Válvulas Completamente
Abertas ................................................................................................................... 115
Tabela 5.7 - Eficiências Energéticas e Exergéticas do Circuito Secundário e Global da Usina
EPR em Operação de Projeto................................................................................. 117
Tabela 5.8 - Eficiências Energéticas e Exergéticas do Circuito Secundário e Global da Usina
EPR com Válvulas Completamente Abertas ......................................................... 117
Tabela 5.9 - Irreversibilidades e Eficiência Exergética da Usina EPR em Operação de Projeto
............................................................................................................................... 118
Tabela 5.10 - Irreversibilidades e Eficiência Exergética da Usina EPR com Válvulas
Completamente Abertas ......................................................................................... 122
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Lista de Abreviaturas e Siglas

BWR - Boiling Water Reactor
CANDU - Canada Deuterium Uranium
CEA - Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Energies Alternatives
CNAAA - Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto
CNEN - Comissão Nacional de Energia Nuclear
EIA - United States Energy Information Administration
EPE - Empresa de Pesquisa Energética
EPR - Evolutionary Pressurized Reactor
FBR - Fast Breeder Reactor
FURNAS Furnas Centrais Elétricas S.A.
GCR - Gas Cooled Reactor
GE - General Eletric
GEE - Gases de Efeito Estufa
GIF - Generation IV International Forum
GFR - Gas Cooled Fast Reactor
GW - Gigawatts
GWh - Gigawatts Hora
HTGR - High Temperature Gas Cooled Reactor
HWGCR - Heavy Water Gas Cooled Reactor
HWLWR - Heavy Water Light Water Reactor
Hz - Hertz
IAEA - International Atomic Energy Agency
IEA - International Energy Agency
INB - Indústrias Nucleares do Brasil S.A.